新一代質子加速器  雷射等離子體創新能源記錄

編譯/高晟鈞

研究團隊採用創新方法,成功地透過雷射脈衝顯著提高了質子的加速度。圖取自 ScitechDaily

亥姆霍茲德勒斯登羅森多夫中心(HZDR)在雷射等離子體加速方面取得了重大進展。透過創新方法,研究小組成功地超越了先前的質子加速記錄,第一次獲得有史以來必須在更大裝置中才能實現的能量,有望在醫學和材料科學方面提供巨大的幫助。

輕巧且節能的加速器

雷射等離子體(電漿體)加速不同於傳統加速器使用強大的無線電波來移動粒子,而是使用雷射來加速,這使得整體設備可以更節能、輕巧。

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其原理主要是將一極短但高能量密度的雷射朝著極薄箔片發射,當光將材料加熱至一定溫度時,便會有無數電子從中產生。此時由於原子核仍保持在原位,使得電子(帶負電)與原子核(正電)間會在短時間內形成強電場,並將質子脈衝彈射到微米外的距離。

目前,這項技術仍處於研究階段,只有使用世界上為數不多的超大型雷射系統,才能實現高達100MeV的質子能量。為了使用較小的雷射設施與更短的脈衝來實現類似的高加速器能量,HZDR研究團隊利用一種被視為「缺陷」的雷射脈衝,克服發揮作用的時間差。

透明的箔片

先行脈衝在撞擊真空室的特製塑膠箔片時,時間差會使得箔片先膨脹,變得越來越熱後有效地熔化,這時原本反射大量光的箔突然變得透明,使得先行脈衝比先前的實驗更深入地穿透進材料。

一連串的複雜機制導致了箔膜中的質子加速速度遠遠超過了雷射器,其能量更是達到了150MeV,幾乎翻了一倍之多。

能源效率優勢

放射生物學以實現精確、溫和的腫瘤治療聞名,這種療法可以在很短的時間內施加非常高劑量的輻射,用於患者的治療。然而這種常規的治療加速器僅在德國少數醫療中心提供。而新雷射加速器系統的進展,有助於減少龐大加速器所耗費的大量電力,並更具擴展性的前景。

另一方面,該研究也可用於有效產生中子。雷射閃光產生的強、短中子脈衝對於科學技術及材料分析具重要意義。

資料來源:ScitechDaily

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